劉振遠，胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

采用采煤半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)的露天煤礦生產(chǎn)成本受原煤破碎站的布置位置和移設(shè)步距的直接影響。半連續(xù)采煤生產(chǎn)系統(tǒng)的破碎站布置位置越接近采煤重心水平位置，布置高程距采煤重心高程位置越接近，則原煤運輸成本越低[1]。破碎站移設(shè)周期直接影響原煤平均運輸成本，且破碎站和運輸帶式輸送機移設(shè)期間，系統(tǒng)無法正常使用，對露天煤礦的原煤生產(chǎn)產(chǎn)生影響較大]。為使礦山生產(chǎn)更加高效穩(wěn)定、經(jīng)濟合理，需要對破碎站移設(shè)方案進行優(yōu)化。

王斌等[3]基于采礦延深速度合理確定礦石半移動破碎站移設(shè)步距，通過多方案類比以及全面技術(shù)經(jīng)濟比較，充分考慮采場由山坡露天階段向深凹露天階段過渡時，深部帶式輸送機工藝布置與前期地表帶式輸送機的銜接，合理確定了礦石半移動破碎站-帶式輸送機開拓運輸系統(tǒng)的最佳工藝布置方式，實現(xiàn)了前期供礦帶式輸送機的充分利用，節(jié)省了投資。李雁飛[4]通過經(jīng)濟敏感指標(biāo)計算給出敏感指標(biāo)的移設(shè)步距動態(tài)變化關(guān)系，提出寶日希勒露天煤礦1#原煤破碎站的移設(shè)位置優(yōu)化方案，將原煤破碎站移設(shè)費用及成本計算作為境界對比指標(biāo)，綜合對比確定移設(shè)位置最優(yōu)方案。

1 現(xiàn)狀與問題分析

新疆天池能源南露天煤礦為傾斜巨厚煤層賦存，平均厚度達76.14 m，實際生產(chǎn)能力30 Mt/a。為了滿足生產(chǎn)能力要求，南露天煤礦先后建設(shè)了3 套采煤破碎站半連續(xù)工藝系統(tǒng)和相應(yīng)的原煤生產(chǎn)系統(tǒng)，3 臺原煤破碎站布置于北幫煤層底板上，服務(wù)于15 個采煤臺階（隨著工作幫推進，煤層埋藏條件變化，服務(wù)臺階數(shù)略有變化）。采區(qū)轉(zhuǎn)向完成后，南露天煤礦改為沿煤層走向推進，將逐步實現(xiàn)內(nèi)排，隨著內(nèi)排的不斷跟進，原布置于煤層底板的3 個原煤破碎站必須隨著剝采排工程的推進而不斷移設(shè)。

依據(jù)南露天煤礦初步設(shè)計及2020 年度開采設(shè)計，剝離、采煤臺階均采用水平分層，標(biāo)準(zhǔn)臺階高度為15 m，現(xiàn)南幫正逐漸到界，處于首采一區(qū)向首采二區(qū)轉(zhuǎn)向末期。預(yù)計到2020 年末，南露天煤礦將完成首采一區(qū)向首采二區(qū)的轉(zhuǎn)向，東幫400～610 m 水平形成14 個剝離臺階，340～565 m 水平形成15 個采煤臺階，在西幫340～550 m 水平形成7 個內(nèi)排臺階。天池能源南露天煤礦采區(qū)劃分如圖1。

圖1 天池能源南露天煤礦采區(qū)劃分

按照南露天煤礦3 年規(guī)劃，最晚到2021 年坑下的1#原煤破碎站將制約內(nèi)排土場的發(fā)展，同時卡車的上煤運距開始增加，隨后2#、3#原煤破碎站也逐步面臨同樣的問題。對于半連續(xù)采煤工藝來說，破碎站移設(shè)的時空位置選擇和優(yōu)化布置對于移設(shè)費用、后續(xù)產(chǎn)能的穩(wěn)定發(fā)揮和成本控制至關(guān)重要。

2 破碎站移設(shè)步距影響因素

露天煤礦采煤半連續(xù)系統(tǒng)的破碎站移設(shè)步距影響因素，主要有空間條件、經(jīng)濟條件、邊坡條件等[5]。

1）經(jīng)濟條件。采煤半連續(xù)系統(tǒng)的核心是采場內(nèi)破碎站位置的確定，確定原則應(yīng)為露天礦整體采煤半連續(xù)系統(tǒng)總生產(chǎn)成本最低，同時考慮其布置位置對整個露天煤礦生產(chǎn)組織的影響，避免出現(xiàn)部分環(huán)節(jié)優(yōu)化而影響整體的情況[6]。以采煤半連續(xù)系統(tǒng)為例，若破碎站和運煤帶式輸送機在布置時未考慮后期剝離、采煤和內(nèi)排工程位置的發(fā)展情況，未對生產(chǎn)系統(tǒng)的布置位置和方式充分進行論證，可能會導(dǎo)致單斗-卡車間斷工藝剝離運輸系統(tǒng)無法實現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排，使內(nèi)排剝離物運距增加，生產(chǎn)成本大幅提高[7]。

2）空間條件。破碎站布置及移設(shè)工程受采場、排土場空間及工程位置影響較大。首先，采煤半連續(xù)系統(tǒng)主要部分為破碎站和運煤帶式輸送機，受限于地形地質(zhì)條件和設(shè)備服務(wù)能力，破碎站和帶式輸送機的布置均需要一定的空間支撐；其次，為了保證露天煤礦原煤生產(chǎn)接續(xù)和破碎站移設(shè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，破碎站移設(shè)至新位置后必須能夠連續(xù)服務(wù)一定時間。因此，采場的空間條件是破碎站布置和移設(shè)的重要限制因素。當(dāng)露天煤礦采煤工作面不具備破碎站布置所需的平盤寬度時，可將超前推進產(chǎn)生的工程量計入破碎站移設(shè)綜合成本中，通過統(tǒng)籌考慮進行破碎站布置和移設(shè)方案綜合優(yōu)化，以保證破碎站移設(shè)方案的經(jīng)濟性和合理性[8]。

3）邊坡條件。露天煤礦開采臺階由于長時間的裸露、風(fēng)化，巖石力學(xué)性質(zhì)差，易破碎塌落；且隨著邊坡存在時間的延長，邊坡變形也會逐漸增大，以上因素都會威脅到布置在采場內(nèi)的采煤半連續(xù)系統(tǒng)的正常作業(yè)。由于生產(chǎn)系統(tǒng)布置受采場內(nèi)地形、地質(zhì)條件影響較大，破碎站及帶式輸送機在布置前都會進行填挖方作業(yè)，導(dǎo)致原始的巖石地層結(jié)構(gòu)受到破壞，即使是較細微的臺階變形也可能導(dǎo)致帶式輸送機傾斜而容易出現(xiàn)跑偏等故障[9]。因此，在破碎站移設(shè)前必須對破碎站布置位置巖體進行力學(xué)分析，對帶式輸送機基礎(chǔ)布置線路進行勘察，對相關(guān)邊坡工程位置進行處理。

3 原煤破碎站移設(shè)優(yōu)化模型

3.1 模型建立

布置在端幫的破碎站移設(shè)工程可以表示為沿帶式輸送機的線性位置變化過程，水平方向上破碎站每移設(shè)1 次服務(wù)于1 個區(qū)塊的采掘量[10]，布置于端幫的破碎站移設(shè)過程示意圖如圖2。

圖2 布置于端幫的破碎站移設(shè)過程示意圖

假設(shè)采煤半連續(xù)工藝系統(tǒng)服務(wù)于m 個采煤臺階，破碎站布置于第e 個采煤臺階，可按露天煤礦的開拓方式分別進行移設(shè)步距優(yōu)化。為了減少計算量，研究對模型提出如下假設(shè)：①運煤卡車在工作幫的運距與破碎站移設(shè)步距無關(guān)；②破碎站的超前布置和滯后移設(shè)都將增大上部剝離物內(nèi)排運距；③破碎站的經(jīng)濟移設(shè)步距應(yīng)保證移設(shè)費用得到補償且總成本最小；④破碎站移設(shè)時應(yīng)考慮由于系統(tǒng)停產(chǎn)對露天煤礦生產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失；⑤由于破碎站移設(shè)步距的變動范圍，因此優(yōu)化過程中不考慮追加卡車數(shù)量的問題和單位運輸費用隨運距的變化。

3.2 模型求解

設(shè)破碎站移設(shè)步距為S，其中內(nèi)排土場滯后布置距離Sqh為：

式中：k 為破碎站滯后布置距離系數(shù)。

內(nèi)排土場坡道長度Sp為：

式中：Hp為破碎站布置水平高度，m；H 為采掘工作面的卡車裝載水平高度，m；i 為卡車坡道斜率與展線系數(shù)乘積。

計算移設(shè)步距內(nèi)運輸費用cgn為：

式中：cqp為原煤的水平運輸單價（包括空車返回），元（/m3·km）；n 為破碎站布置優(yōu)化模型中的剝采比，m3/m3；cb為單位原煤開采量分?jǐn)偟膭冸x物運輸費用，元/m3；cj為帶式輸送機的單位運費，元（/m3·km）；Cja為破碎站搬遷費用，元；Cf為破碎站移設(shè)附加費用，元；M 為半連續(xù)工藝系統(tǒng)單位推進度的原煤采出量，m3/m；co為帶式輸送機的單位延長費，元/m。

破碎站不移設(shè)而直接服務(wù)于下一區(qū)塊的運輸費用cny′為：

式中：cqy′為原煤運輸單價，元（/m3·km）；cqb′為剝離物運輸單價，元（/m3·km）。

破碎站移設(shè)的補償效果Y 為：

式中：cny為移設(shè)破碎站時的運輸系統(tǒng)總費用。

滿足破碎站移設(shè)費用補償?shù)淖钚∫圃O(shè)步距為：

式中：v 為工作線推進速度，m/a；Q 為半連續(xù)工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，m3/a。

根據(jù)天池能源南露天煤礦生產(chǎn)參數(shù)，通過上述模型計算得出北幫一號原煤破碎站經(jīng)濟合理移設(shè)步距為870 m，按照300 m 的年推進度，約3 年移設(shè)1次，移設(shè)期為6 個月，考慮移設(shè)期間的推進度，礦坑內(nèi)需要滿足的水平距離為1 020 m。

4 1#原煤破碎站移設(shè)方案

4.1 方案提出

1#破碎站布置在北幫430 m 水平上，到2020 年年底，內(nèi)排土場初步建立，內(nèi)排土場北側(cè)430 m 水平到工作幫430 m 水平的距離為833 m，破碎站移設(shè)需要6 個月安裝調(diào)試期，即150 m 的推進距離，則該水平剩余寬度僅為683 m，這意味著1#破碎站布置的水平距離小于其經(jīng)濟合理移設(shè)步距，1#破碎站的移設(shè)步距受礦坑幾何尺寸限制，為該水平礦坑寬度減去6 個月的推進度，該量每年都不相同，應(yīng)該按照移設(shè)年的具體情況詳細計算，在此不做詳細論述。

按照年產(chǎn)量30 Mt 原煤計算，南露天礦的年推進度約為300 m，2021 年底內(nèi)排土場北側(cè)430 m 水平到1#破碎站的距離為458 m，約為1.5 年的推進度，考慮破碎站移設(shè)需要的時間，1#破碎站應(yīng)于2020 年末開始移設(shè)，直接布置于2020 年末工作幫位置，2021 年中期完成移設(shè)和設(shè)備調(diào)試。移設(shè)布置水平有2 個方案：①方案1：同水平移設(shè)（430 m 水平）；②方案2：同2#破碎站水平（475 m 水平）。

4.2 方案對比

方案2 相比方案1，水平距離滿足經(jīng)濟合理移設(shè)步距要求，但是增加了45 m 提升運距，1#破碎站的能力為1 500 萬t/a，按照煤密度1.24 t/m3計算，年破碎體積約為1 209 萬m3。按照每百米提升運費0.8 元/m3計算，每年因提升運距增加而多花費的運費約為435 萬元。優(yōu)化的移設(shè)間隔時間為3 年，430 m 水平間隔時間為1.5 年，一次移設(shè)的費用為1 000萬元，布置水平提高平均每年減少的移設(shè)費用為333 萬元。相比每年多花費的提升費用為435 萬元，增加成本每年約102 萬元。

因此將1#破碎站繼續(xù)布置到430 m 水平在經(jīng)濟上是合理的，提升到足夠移設(shè)的水平雖然能減少移設(shè)費用，但是增加了提升運費，提升布置水平每年約多花費102 萬元。

1#破碎站帶式輸送機和2#破碎站帶式輸送機按現(xiàn)有搭接方式會出現(xiàn)交叉，由于2#破碎站帶式輸送機上部填方高度較高，下部未預(yù)留涵洞，所以應(yīng)避免膠帶交叉。經(jīng)研究，推薦使用調(diào)整搭接頭位置的方案，即：將2#破碎站現(xiàn)有帶式輸送機延伸搭接到移設(shè)后的1#破碎站上，將新鋪設(shè)的帶式輸送機搭接到2#破碎站上。

5 結(jié)語

1）通過建立原煤半連續(xù)系統(tǒng)破碎站移設(shè)模型，確定了南露天煤礦1#原煤破碎站的經(jīng)濟最優(yōu)移設(shè)步距870 m，受限于工程地質(zhì)條件和剝離、采煤、排土的時間和空間關(guān)系影響，保證排土工程接續(xù)，又要使移設(shè)步距盡可能經(jīng)濟合理以降低生產(chǎn)成本，保證礦山生產(chǎn)效益最大化。

2）結(jié)合南露天煤礦內(nèi)排情況，提出了1#原煤破碎站在礦坑空間受限的條件下同水平、小步距移設(shè)的設(shè)計方案，對比分析了不同方案的經(jīng)濟性，論證了1#原煤破碎站采用同水平、短步距移設(shè)的科學(xué)性、合理性。

3）1#破碎站移設(shè)方案為露天煤礦在受限于工程地質(zhì)條件和礦坑空間條件的影響下，以技術(shù)可行，經(jīng)濟合理的開展破碎站移設(shè)工程提供了科學(xué)的依據(jù)，對國內(nèi)外傾斜巨厚煤層露天煤礦坑下原煤破碎站移設(shè)具有借鑒意義。